керамическое покрытие HVOF

Когда говорят про HVOF для керамики, многие сразу думают про карбид вольфрама, но с оксидами — цирконием, алюминием, хромом — всё куда капризнее. Лично у меня первые попытки наносить, скажем, Al2O3 методом HVOF вызывали больше вопросов, чем ответов: покрытие вроде есть, а адгезия оставляет желать лучшего, да и трещинки микроскопические появлялись. Оказалось, дело не только в параметрах распыления, но и в подготовке основы и, что важно, в самом порошке — его фракции и даже форме частиц.

Где тонко, там и рвётся: подготовка основы и выбор порошка

Сначала про основу. Казалось бы, пескоструйка — и всё готово. Но для керамики, особенно на сталях, которые сильно 'играют' по коэффициенту теплового расширения, одной абразивной очистки мало. Приходится иногда вводить подслой — никель-хромовый или никель-алюминиевый, тот же метконий. Без него керамическое покрытие HVOF может отойти пластами при термоциклировании. Увидел это на практике, когда делали пробные образцы для узлов печной арматуры — без подслоя покрытие из частично стабилизированного диоксида циркония не выдерживало и 50 циклов.

А с порошком вообще отдельная история. Крупные фракции дают пористость, мелкие — могут не прогреть до нужной пластичности в струе и просто отскочить от основы или дать непрочную структуру. Оптимальный диапазон где-то 15-45 микрон, но это сильно зависит от конкретного состава керамики. Например, для Cr2O3, который часто используют для износостойкости, лучше брать порошок с более сферическими частицами — он плотнее ложится. Мы как-то заказали партию с неправильной морфологией, так покрытие получилось с повышенным содержанием оксидов, хрупкое. Пришлось возвращаться к проверенному поставщику.

Кстати, о поставщиках. Не все производители оборудования дают адекватные рекомендации по расходникам. На сайте ООО Чжэнчжоу Лицзя Термического Напыления Оборудования (https://www.lijiacoating.ru) в описании их деятельности прямо указано, что они занимаются не только производством установок, но и исследованиями в области термического напыления. Это важный момент — значит, они могут подсказать по режимам именно под керамику, а не просто продать аппарат. Хотя, конечно, теория теорией, а в цеху всегда свои нюансы.

Параметры распыления: не скорость, а состояние частиц

Многие гонятся за максимальной скоростью струи в HVOF, думая, что это гарантия плотности. С металлическими порошками это часто работает, а с керамическими — не всегда. Важнее не разогнать частицу до сверхзвука, а обеспечить её равномерный и достаточный нагрев до пластичного состояния. Если перегреть — керамика может разложиться или испариться, недогреть — получится слабое сцепление. Тут играет роль всё: соотношение кислорода и топлива (чаще керосин или газ), расстояние от сопла до детали, даже угол напыления.

Из личного опыта: для нанесения ZrO2, стабилизированного иттрием, мы долго подбирали баланс. Слишком богатая смесь давала красивое, блестящее покрытие, но при микрошлифовке видно было — есть непроплавы. Бедная смесь делала покрытие матовым и с высокой пористостью. В итоге нашли некий компромисс, когда частица успевает и прогреться, и 'прилипнуть' с минимальным окислением. Замеры микротвёрдости потом показывали стабильные значения выше 1000 HV.

Ещё один момент — охлаждение. Керамика плохо отводит тепло, поэтому деталь, особенно если она массивная или сложной формы, может перегреться. Это ведёт к росту термических напряжений и, как следствие, к отслаиванию. Приходится делать перерывы, обдувать сжатым воздухом, а иногда и применять принудительное охлаждение с обратной стороны. На серийном производстве это, конечно, усложняет процесс.

Контроль качества: что смотреть кроме толщины

Приёмка работы с керамическим покрытием HVOF — это не только замер толщины микрометром. Первое — визуальный осмотр на предмет сколов, отслоений по краям. Потом обязательно адгезия — метод отрыва (по ГОСТ или ASTM) даёт цифру, но и она не всегда показательна. Бывало, что по отрыву всё в норме, а при реальной эксплуатации в условиях вибрации покрытие трескалось. Поэтому мы дополнительно делали термоциклирование на образцах — нагревали до 800-900°C и резко охлаждали, смотрели, после какого цикла появляются дефекты.

Микроструктура — ключевой момент. Шлифуем образец, травим (если нужно) и под микроскопом. Ищем непроплавы, оксидные включения, поры, микротрещины. Для ответственных применений, например, в авиационных компонентах, допустимая пористость может быть не более 1-2%. Для менее нагруженных узлов — до 5%. Но тут важно понимать, что поры бывают открытые и закрытые, и их влияние на коррозионную стойкость разное.

Твёрдость — важный, но не единственный показатель износостойкости. Керамика и так твёрдая, но если в покрытии есть остаточные напряжения, оно может выкрошиться при ударном воздействии. Поэтому иногда полезнее тест на абразивный износ, например, по методу 'пескоструйка' — замеряют потерю массы за определённое время. У нас был случай с насосными деталями: покрытие с высокой твёрдостью, но крупными порами, изнашивалось быстрее, чем менее твёрдое, но более плотное.

Практические кейсы и где ошибались

Расскажу про один проект — восстановление и упрочнение направляющих лопаток турбины. Материал — жаропрочный сплав, требовалось нанести слой ZrO2 для термобарьера. Делали на установке HVOF. Первая партия — неудача. Покрытие легло хорошо, но после первых же испытаний на стенде появилась сетка трещин. Разбирались — причина в слишком резком охлаждении детали после напыления. Не учли массу самой лопатки. Во второй раз ввели постепенное охлаждение в печи с контролируемой атмосферой — проблема ушла.

Другой пример — цилиндры гидравлических прессов. Требовалось повысить стойкость к абразивному износу. Выбрали Cr2O3. Проблема была в геометрии — длинная внутренняя поверхность. Обычное напыление давало неравномерную толщину, у концов больше, в середине меньше. Пришлось разрабатывать оснастку для вращения и одновременного перемещения детали относительно горелки, чтобы обеспечить постоянное расстояние. Помогли советы по кинематике от инженеров, в том числе изучая опыт коллег, например, из упомянутой компании ООО Чжэнчжоу Лицзя, которые как раз профессионально занимаются разработкой оборудования для таких задач.

А бывали и курьёзные ошибки. Как-то раз перепутали порошки — вместо мелкодисперсного Al2O3 взяли похожую упаковку с крупной фракцией для плазменного напыления. Покрытие получилось 'шершавым' и с низкой адгезией. Пришлось всё счищать и начинать заново. С тех пор система маркировки расходников у нас жёсткая.

Вместо выводов: о чём стоит помнить

Так что, если резюмировать мой опыт, керамическое покрытие HVOF — это мощный инструмент, но требующий тонкой настройки под каждую конкретную задачу. Нельзя просто взять параметры для карбида вольфрама и применить к оксидам. Нужно учитывать и подготовку основы, и морфологию порошка, и тщательно контролировать температурный режим как частиц в струе, так и самой детали.

Важно не останавливаться на достигнутых параметрах и постоянно проверять покрытие в условиях, максимально приближенных к эксплуатационным. Лабораторные тесты — это одно, а работа в реальной среде, под нагрузкой, при перепадах температур — другое. Иногда небольшое отклонение в пористости или наличие микротрещин, невидимых при обычном контроле, могут привести к преждевременному отказу.

И конечно, имеет смысл сотрудничать с теми, кто глубоко в теме — и с поставщиками качественных материалов, и с разработчиками оборудования, которые понимают физику процесса, а не просто собирают установки. Как те же специалисты из ООО Чжэнчжоу Лицзя Термического Напыления Оборудования, чей сайт я иногда просматриваю для профессиональных новостей. В конечном счёте, успех в этом деле — это комбинация правильной технологии, качественных материалов и, что немаловажно, опыта, часто накопленного на собственных ошибках.